半导体rf射频的原理和作用（重磅可调射频RF）

半导体rf射频的原理和作用（重磅可调射频RF）图4、展示了由WiSpry开发的双多频带可调谐（TX或RX）滤波器原型模块的初始测量性能结果，该概念扩展了可调谐，窄带抑制的滤波器概念。图4图3、可调射频技术简化射频前端架构为了开始探索RF滤波器领域中的市场机会，WiSpry开发了针对所选共存应用可调RF陷波滤波器的原型。这些滤波器在干扰信号有明确定义的情况下（例如Wi-Fi和高频蜂窝发射机）和相对接近的情况下，可以根据需要提供额外的20-30 dB的滤波抑制。利用MEMS可调谐电容器的宽调谐范围，可以将这些滤波器调整到远离带外的位置，也可以根据实际需要将其关闭，以避免在没有共存问题需要处理的大多数时间内固定滤波器所产生的插入损耗。而当需要被“打开”时，其插入损耗与静态滤波器的损耗相当。图4

图1、可调射频（RF）组件和电路技术可以简化前端模块

现在可调射频（RF）组件和电路已经在以天线调谐器的形式在移动手机射频前端中建立了一个滩头阵地，可调射频（RF）市场渗透的下一步需要被识别出来并进行推广和采纳。我们可以转向天线，并将天线调谐和天线设计整合到一个整体解决方案中。这正是Skycross和Ethertronics等天线公司已经采用有源和自适应天线解决方案进入市场的原因。或者，我们可以转向前端的滤波器一侧，看看如何以及如果我们能够利用这个现今有数十亿美元的市场机会，今天终端射频滤波器几乎全是声学滤波器器件的独有优势。或者，作为第三种选择，我们接下来应该讨论在功率放大部分提供可调谐性的潜在机会。如果不是滤波器的性能要求，那么做出选择可能会很明显。但天线和功率放大器/低噪声放大器都有自己的一系列技术指标要求和业务挑战，也不能提供滤波器领域的上攻的机会。

图2、复杂的4G射频前端架构

通过选择专注于滤波器领域，我们也将面临着另一个挑战：现有的用于可调谐RF-MEMS，BST或者SOI的实现技术都不能实现与SAW / BAW / FBAR滤波器相媲美的滤波器性能，包括足够的带宽要求，以及陡峭的滤波性能。在这三种可调谐器件技术中，似乎只有串联配置的MEMS器件提供了某种性能等级，如果与架构创新相结合或者在更多限制性应用中使用，则可能可以在射频前端（RFFE）中提供所需的滤波性能要求。

图3、可调射频技术简化射频前端架构

为了开始探索RF滤波器领域中的市场机会，WiSpry开发了针对所选共存应用可调RF陷波滤波器的原型。这些滤波器在干扰信号有明确定义的情况下（例如Wi-Fi和高频蜂窝发射机）和相对接近的情况下，可以根据需要提供额外的20-30 dB的滤波抑制。利用MEMS可调谐电容器的宽调谐范围，可以将这些滤波器调整到远离带外的位置，也可以根据实际需要将其关闭，以避免在没有共存问题需要处理的大多数时间内固定滤波器所产生的插入损耗。而当需要被“打开”时，其插入损耗与静态滤波器的损耗相当。

图4

图4

图4、展示了由WiSpry开发的双多频带可调谐（TX或RX）滤波器原型模块的初始测量性能结果，该概念扩展了可调谐，窄带抑制的滤波器概念。

对测试结果的审查表明，陷波响应提供了跨越多个频带的可调谐抑制的合理水平。

图5、可调谐射频多频段射频前端架构

继续这种自下而上的分析设计方法，在WiSpry，英特尔和丹麦奥尔堡大学之间的联合工作中，多年来一直在开发可调谐窄带前端架构原型。图5显示了覆盖频段1至频段7的完整多频带可调RFFE（射频前端）架构的初始硬件演示板。演示板包含一对TX和RX天线，当与可调TX和RX陷波滤波器结合使用时，可实现可调双工的功能。这种现在已有数年历史的原型仅使用八个可调硬件组件（包括天线对）实现了大部分3GPP的协议规范，并且不使用任何声学滤波器或者开关。这个演示板非常空旷，拥有标准移动手机电话板的尺寸。这种架构的开发会一直延续下去 ，并且后续的低频段和高频段原型现在都已经在实验室中运行。

图6

图6提供了WiSpry称为CAFE（Compact，Agile Front End，紧促的灵活的射频前端）的完整LTE-A可调RFFE（射频前端）概念的示意图。如图所示，该架构固有地支持LTE CA和MIMO功能，对于每个可能会同时工作的无线电链路，仅需要增加一个额外的可调RF（射频）路径。

图7、典型的手机天线

图8、天线调谐控制器

图9、天线开关控制器

图10、天线开关控制器的规格

从4G手机射频前端BOM的成本在7.00美元至17.00美元的机会角度来看，像CAFE（Compact，Agile Front End，紧促的灵活的射频前端）这样的体系结构看起来很吸引人。但与此同时，它们又是革命性的，因此它们带有大量的概念性的和一些实际的风险。从根本上说，这种架构的要求之一就是对手机的生产，辐射测试变得与以前的系统有所不同。像LitePoint这样的公司正在取得这种能力的巨大进步，并且生产测试基础设施已经到位，但是需要几年时间才能批准必要的认证测试用例和规范。在此期间，可调射频器件可通过实施额外的和下一代天线调谐器，可调谐天线，可调PA和LNA，适用于共存等应用的可调谐滤波器，以及它们可能的子集如在接收端采用类似于CAFE的架构等，来持续地增加可调射频器件的市场份额和收入。同时追求自上而下开发并行的完整可调谐窄带射频前端解决方案。

最终，很可能没有任何一种设计方法或者技术将被证明是某个银色子弹（英文：Silver Bullet，喻指新技术，尤指人们寄予厚望的某种新科技），而是未来的RFFE（射频前端）架构将会发展为兼具固定和可调功能中的最佳功能，以及CMOS，声学滤波器和其它现有的和新的实施技术。无论形式如何，时间都是至关重要的。 2020年将比我们想象的要更早，行业会产生一些新的终端射频前端架构，并且与此同时，5G将带来更加令人生畏的性能挑战，这一切都在呼吁开发新的RFFE（射频前端）架构。

结论

在第一次手机通话后的45年中，移动通信以我们无法想象的方式改变了世界。移动通信技术已经从模拟链路上的语音通信演变为以数据为中心的数字体系结构，该体系结构提供高速数据的下行链路和上行链路，高速流视频的下行链路以及数据语音服务。通信标准已经发展到目前的第五代技术，其在市场上的部署速度将会比以前的任何这种标准都要快。今天，全球超过72％的人口估计是手机用户。移动手机和他们使用的射频半导体器件已成为消费电子产品的增长引擎，反过来也是整个半导体行业的增长引擎。2017年仅仅在中国就生产手机19亿部，其中大部分是智能手机，其处理，存储和软件功能将远远超过几年前的领先个人电脑。

图11、射频前端对手机终端未来的发展至关重要

随着手机市场的成熟，手机架构的不同部分已经以不同的速度发展。尽管手机的较低频率数字部分享有摩尔定律的缩放优势，但是作为手机与网络之间越来越关键的连接的RF前端，其发展速度要慢得多。随着LTE在全球范围内频段的迅速扩散，越来越多的挑战性的性能规范将RFFE（射频前端）定位为移动通信下一阶段创新的关键瓶颈。

图12、手机天线的性能受到天线尺寸的限制

为了解决这个瓶颈，过去十年里出现了一种新的设计模式---即可调RF（射频），高性能RF（射频）组件的概念，其频率和功能可通过软件进行动态调整，这种概念最初以天线调谐器的形式进入到射频前端架构中。这种可调射频组件能够用一个硬件设备替换多个组件，并将支持多频段操作所需的这些组件的链路数量减少到等于要求最大并发的工作的射频无线电通道的数量。从这个角度来看，我们可以将可调RF前端视为实施软件无线电的最后一步。

图13、对天线调谐补偿可以显著改善系统性能

目前的可调射频市场正处于增长的初期阶段，只有少数玩家在生产产品和产生收入。目前该领域的总收入以数亿美元计算，占整个90亿美元的RFFE（射频前端）市场的一小部分，但该市场正在迅速增长。在今天用于可调RF（射频）器件的三种实现技术即MEMS，BST和SOI中，目前市场的大部分属于使用SOI FET开关实现的天线调谐器。

展望未来，可调射频（RF）预计将会比RFFE（射频前端）市场增长的速度更快。天线调谐器将享受更深入的渗透率，每台手机的平均使用率超过每部手机一个；天线厂商将为市场带来新型的主动式和自适应天线系统，以满足理想的手机工业设计所施加的体积限制，同时提供满足消费者和网络运营商所需的无线性能水平。支持MEMS的可调滤波器将在市场上推出，并且可调谐性在功率和低噪声放大器中的应用将会变得更加明显。最后，也许是最显着的，全新的完全可调RFFE（射频前端）架构将开始出现在市场上，而最有可能将从共存滤波器和分集接收应用开始。一旦支持辐射测试所需的标准和生产制造能力得到部署，这些架构将完成其演变为具有宽带可调性的软件定义的窄带设计。这种架构最有可能采用CMOS和其它专用技术实现的固定和可调器件的混合方法来实现。

图14、可调射频前端技术阻力手机性能持续改进

最后，据估计，在2020年的时间框架内，5G技术将开始商业化，随着无线通信和连接性技术的继续发展，它们看起来不可避免地要继续走向成为如此普遍的和紧密集成在日常生活中不可见的射频前端结构中，不可避免的将会遇到新一波的挑战和机遇。